高风温技术在首钢迁钢4000m3高炉上的研究与应用

1979年在首钢新2号高炉（1327立方米）应用的顶燃式热风炉是国内外首创技术，而首创者就是北京首钢国际工程技术有限公司（原首钢设计院，以下简称首钢国际工程公司）。2002年5月，首钢2号高炉（1780立方米）大修后投产。在这座高炉上首次使用了高温预热助燃空气新技术，其技术核心采用了顶燃式热风炉技术。

高温预热助燃空气新技术在首钢2号高炉的应用，是通过将助燃空气预热到600℃和煤气预热到180℃，使高炉稳定地获得1250℃风温，在国内处于领先地位。这项技术提出了一种全新的高炉高风温理念，就是在没有高热值煤气富化条件下，高炉也可以长期、稳定地使用1250℃以上的风温。

自此以后，首钢国际工程公司对这项技术的改进和创新始终没有停止，研发经历了模型试验研究、工艺参数积累和调整、结构和材料的优化，始终坚持在不同规模高炉的不同类型热风炉上进行推广和应用，其节能环保效益获得业内一致好评。

1高炉高风温技术研发背景

首钢迁钢4000立方米高炉于2007年开始设计，2010年初投产。高炉设计阶段适逢国家“十一五”建设第二年。国家在“十一五”规划中提出将节能降耗指标列为国民经济和社会发展的主要目标，要求“十一五”期间每年节能降耗4％左右。在此目标下钢铁工业作为高能耗、高污染产业必须将产业技术升级改造，以实现节能减排和可持续发展。因此，首钢迁钢4000立方米高炉的设计理念被确定为：“高效、低耗、优质、长寿、清洁、安全”，通过积极采用各项先进技术和工艺，实现高炉“大型化、高效化、现代化、长寿化、清洁化”生产。在热风炉系统的技术设计上则充分体现了这一指导思想。

首钢迁钢4000立方米高炉热风炉系统主要由4座高温改造型内燃式热风炉和2座新型顶燃式小热风炉（预热炉）构成。设计平均风温1280℃，焦比305kg/t，煤比190kg/t，热风炉寿命达到30年以上。

高风温系统的先进技术集成主要体现在以下几方面：

1） 高温、高效、长寿的热风炉；

2） 在全烧高炉煤气条件下实现平均风温1280℃，采用高效、先进、节能环保的高温助燃空气预热系统（首钢专利技术）和烟气余热回收煤气预热技术；

3） 设置合理、安全和可靠的高风温输送系统（热风管道系统）。

图1：首钢迁钢4000立方米高炉预热炉实景

2高炉高风温技术主要技术特点

2.1首钢迁钢4000立方米高炉配置4座高温改进型内燃式热风炉主要技术特点

1）采用矩形陶瓷燃烧器，煤气与助燃空气经细流分割后能充分混合，调节性能好，燃烧稳定，强度大,效率高。燃烧出的热烟气经拱顶反向后，能均匀地在蓄热室分布。

2）热风炉拱顶为悬链线形，内衬结构受力合理稳定。在球顶硅砖设计中采用提高整体稳定性的板块式结构和关节砖，可有效解决拱顶在膨胀、收缩时的不稳定现象，使拱顶耐火衬的设计温度达到1480℃。拱顶与大墙脱开，使大墙耐火砖能独立膨胀或收缩，消除了大墙不均匀膨胀对拱顶的影响。

3）燃烧室与蓄热室的隔墙为独立结构，与大墙之间不咬砌。隔墙与大墙之间设置滑动缝和膨胀缝，两者之间可以自由滑动和膨胀。隔墙下部设置隔热砖，以减少隔墙的温度梯度和热应力，防止隔墙开裂短路。隔墙局部镶嵌耐热不锈钢板，防止窜风。

2.2在热风炉工艺及操作上应用和开发的高风温技术

1）研究热风炉燃烧器在多种工况下的燃烧机理，实现了燃烧器的最佳工作效率；

2）应用新型高效格子砖，格孔直径Ф30mm,蓄热面积达到51.58m2/m3,提高了热风炉的蓄热能力和适应高温、短周期的工作能力；

3）开发了高风温热风炉控制专家系统：包括蓄热室传热及热量蓄积模型、拱顶温度监测及控制模型、废气温度监测及控制模型、双预热控制模型、最佳燃烧状态控制专家系统等；

4）首钢和迁钢根据上述研究自主开发了自动烧炉和新型热风炉自动燃烧技术，实现了热风炉的优化操作。

2.3低热值煤气高效利用实现风温1280℃

由于首钢迁钢高热值煤气(焦炉煤气、转炉煤气)资源紧缺，用于热风炉的燃料只能是单一高炉煤气。根据首钢迁钢4000m3高炉设计的操作水平，煤气利用率将尽可能提高，使高炉煤气热值会降低到3100kJ/m3以下，热风炉的理论燃烧温度将低于1300℃。要达到设计风温，理论燃烧温度则应高于1455℃；另外根据环保要求，应充分利用低热值高炉煤气，以减少或完全不排放多余的高炉煤气。这些限制性条件为热风炉系统设计提出了必须解决的课题。

针对首钢迁钢实际情况，设计采用了由首钢国际工程公司开发的热风炉高温预热专利技术，可为热风炉提供600-700℃的高温助燃空气。这项高温空气预热系统的核心组件顶燃式热风炉（预热炉）采用了首钢国际工程公司自主研发的专利技术：新型顶燃式热风炉及其高效旋流扩散式燃烧器。预热系统主体由2座新型顶燃式热风炉和1座混风炉组成。内燃式热风炉的助燃空气量中预计有53%进入预热炉，预热到1100℃；然后在混风炉中与未预热的47%的冷助燃空气混合，将温度调整到600-700℃，送到内燃式热风炉使用。新型顶燃式热风炉作为预热炉使用，具有寿命长（超过30年）、工作及换热能力稳定、不会出现日久失效的问题等突出优点。

为更有效地提升热风炉的热效率，配套设计了热风炉烟气余热回收煤气低温预热系统，采用分离式热管换热器预热高炉煤气。在空气预热到650℃和煤气预热到180℃时，可将热风炉的拱顶温度提高到1430℃以上，使热风温度稳定达到1280℃。

图2：首钢迁钢4000立方米高炉热风炉高温空气预热系统流程图:

2.4高风温下的热风输送管道系统

首钢迁钢4000立方米高炉热风管道属于高温、高压和大直径、长路由管道。在高炉大型化后，随着热风温度和压力的提高，热风安全输送问题日益突出，合理进行管道设置和设计已成为高炉能否使用高风温的重要限制性环节。为此，首钢国际工程公司总结以往热风管道出现的各种问题，分析热风管道在温度、压力、环境等变化时的工作状况，对管道设计进行系统优化，重点采用了以下维护稳定和长寿的措施：

1）选择合适的耐火材料，特别是使用高温蠕变率低的红柱石砖，提高管道内衬耐温及耐压能力。适当增加砖层厚度，使砖型楔度增大，提高砌筑结构稳定性。采用新型轻质保温材料，减少管道散热损失和输送中的温降，并将钢壳温度保持在150℃以下。

2）设置合理的膨胀缝，膨胀缝中填充耐温1400℃的优质陶瓷纤维材料，可长期吸收耐火材料体积变化。

3）利用三维设计对热风管道的组合砌体进行结构优化，管道三岔口及各出入口均采用组合砖结构。管道上部120°范围内的砌砖均设置互锁砖结构。

4）根据有限元计算，设置合理的波纹补偿器和支座，吸收管道钢结构的热胀冷缩并使管道保持平衡稳定。在波纹补偿器膨胀缝处，耐火砖采取特殊的导流砖结构保护缝内耐火纤维材料。

5）热风总管设置全程大拉杆，防止管道受压后的盲板力对钢结构造成破坏。热风总管端头设置补偿器，用来吸收大拉杆因温度、压力、大气温度等影响造成的长度变化。热风支管设置大拉杆或者水平拉梁，使热风支管、热风总管与热风炉炉壳连接，形成稳定和安全的整体受力体系，保证热风管道不会产生过大位移。

6）采用耐高温节水型热风阀，重点解决高温热风阀的冷却水用量较大的问题。在提高冷却效率，降低水耗情况下延长了热风阀使用寿命，从而实现节能并降低生产运行成本。

7）针对热风管道的关键部位（如管道膨胀节处）因温度和压力变化产生的位移，设置在线实时监测，确保运行安全。

3热风炉的经济和社会效益说明

首钢迁钢4000立方米高炉2010年1月投产后，到同年6月底已实现最高日风温1281℃，并于同年7月和8月连续2个月实现月均1280℃风温，日均最高风温达到1294℃;并且在7月和8月实现月均焦比282.2kg/t和277.7kg/t等好成绩。

2010年扣除前4个月（投产初期）的生产指标，首钢迁钢4000m3高炉年平均指标为：平均风温1260℃，平均焦比283.7kg/t，平均煤比181.2kg/t。与2009年全国重点钢铁企业年平均风温1158℃相比，风温高出了102℃，而且提前圆满完成节能指标。

提高风温不仅节约焦炭，有效减少生产焦炭产生的CO2排放，实现高炉低碳炼铁节能减排目标；还改善了首钢迁钢的环保水平，为可持续发展创造了条件。

首钢迁钢4000立方米高炉热风炉在设计和生产上取得的优异成绩，对今后国内新建和技改高炉有非常好的示范效应，也将对全国钢铁企业的技术进步起到积极的推动作用。

我国钢铁企业目前虽然总体产能已达到国际最大规模，但技术水平落后，生产效率低，产品质量和价格与发达国家比处于劣势的情况仍然非常突出。首钢迁钢4000m3高炉热风炉采用的高风温节能技术，不仅说明我国的高炉技术和装备达到国际领先水平，也对提升我国钢铁行业技术创新能力做出了重要贡献。

4高风温技术的应用前景

首钢迁钢4000立方米高炉热风炉的高温及低温复合预热工艺及高风温技术已形成了具有首钢和迁钢自主知识产权的技术创新和工艺突破。这项技术可有效解决国内炼铁行业普遍存在的高热值煤气短缺造成的高炉风温难以提高，低热值煤气富裕排放引起的能源浪费和环境污染问题。使不同规模的高炉均可以安全、稳定、高效、长寿地获得1250℃风温，及至使用更高的风温。

首钢国际工程公司自主研发的专利技术：新型顶燃式热风炉及其高效旋流扩散式燃烧器，以占地面积小、投资省、风温高、工艺流程简单、节能环保等多项优势，不仅适用于高温空气预热工艺，更适用于新建和改扩建的高炉，具有良好的经济效益和广阔的推广应用前景。

5新型顶燃式热风炉研发团队

在首钢国际工程公司副总经理、教授级高工张福明的带领下，经过多年的技术开发和总结应用，已经形成了以炼铁室主任、教授级高工毛庆武，炼铁室主任助理、教授级高工钱世崇，炼铁室主任工程师、高级工程师姚轼，高级工程师梅丛华和倪苹等专家为核心，高级工程师范燕，工程师许云、银光宇、李欣等人为骨干的热风炉设计团队。

新型顶燃式热风炉已在国内外多个大中型高炉获得成功应用，首秦1号、2号高炉，重钢4号高炉，印度BIL高炉，首钢京唐钢铁厂5500立方米特大型高炉，首钢迁钢2号、3号高炉等新建和改扩建的高炉都设计采用了以新型顶燃式热风炉为主体的高风温技术，取得了丰硕成果。

首钢国际工程公司的高学历知识青年的技术研发团队将采用三维建模、三维设计、运动动力学计算机仿真、有限元计算和流场分析等国际先进的三维数字化精准设计方法，对高风温技术继续进行突破创新，使这项技术始终保持在国际领先水平。

首钢国际工程公司技术团队正按照“引领绿色钢铁未来”追求，以先进的首钢高风温技术竭诚为社会各界提供最优质的服务，为开创我国冶金技术新的飞跃发展，做出更大的贡献。（撰稿人倪苹）